Sviluppo di un active quenching circuit integrato con regolazione ultra fine del tempo morto per sistemi TCSPC avanzati

In recent years, there has been a steadily growing interest towards the detection of optical signals. This is due to the fact that light is an excellent non invasive contrast agent, which allows to investigate molecular and cellular phenomena. Time-Correlated Single Photon Counting technique represents, nowadays, the gold-standard in this context. Collecting the time of arrival of photons, it reconstructs the fluorescence signal, for instance coming from a biological sample. To do this, it is necessary to have a single photon detector, such as a SPAD, and a dedicated circuit able to extract the precious timing information. At the same time, for the TCSPC to be effective, it is of foremost importance to repeat several times the measurement, limiting the acquisition speed. A solution to overcome this major issue exists. It has been demonstrated theoretically [11] and experimentally [15] that, if the detector dead time is perfectly matched with an integer multiple of the excitation period, it is possible to reconstruct the fluorescence signal with a distortion as low as 1%, whatever the intensity of the laser signal. For this application, an electronic circuit able to finely tune the SPAD dead time needs to be implemented. During this thesis work, two quenching circuits (AQC) have been developed. As well as achieving a resolution in the order of tens of picoseconds with a high linearity, they have the same performance in all working conditions. Indeed they are thought to be compatible with different photodetectors: from thin SPAD, with overvoltage around 5V, to Red-Enhanced SPAD, characterized by overvoltage reaching even 30V. Moreover, particular attention has been paid to compensate for process variations, being the major obstacle to reach a perfect matching between the dead time and the period of common TCSPC laser (10ns, 12.5ns, 25ns, 50ns). At the same time, the classic AQC architecture has been completely changed. This aspect gave the chance to realize a circuit of only ≈ 0.068mm^2 with high disturbance immunity, paving the way to a new generation of high performance multichannel systems.

Negli ultimi anni si è assistito ad un crescente interesse verso la rivelazione dei segnali luminosi. La luce, infatti, si presenta come un ottimo mezzo di contrasto che permette di analizzare in maniera non invasiva fenomeni che avvengono a livello molecolare e cellulare. Una delle tecniche che ad oggi rappresenta il gold-standard in questo ambito è la Time- Correlated Single Photon Counting. Si tratta di una tecnica di conteggio che permette di ricostruire segnali di fluorescenza provenienti, ad esempio, da campioni biologici. Per fare ciò, essa necessita di un fotorivelatore SPAD e di un circuito elettronico dedicato che sia in grado di regolarne il funzionamento ed estragga l’informazione temporale utile. Allo stesso tempo, perchè essa si riveli efficace nella ricostruzione del segnale in esame, è fondamentale ripetere più volte la misurazione. Da ciò deriva la maggiore limitazione di questa tecnica: la velocità di acquisizione. Tuttavia è stata recentemente teorizzata [11] e provata sperimentalmente [15] una soluzione che permette di superare questo limite intrinseco. Se, infatti, il tempo morto del fotorivelatore è esattamente pari ad un multiplo intero del periodo del laser è possibile ricostruire il segnale di fluorescenza con una distorsione inferiore all’1%, indipendentemente dall’intensità di illuminazione. Per questa applicazione è necessario sviluppare un circuito che permetta di regolare finemente il tempo morto dello SPAD. In questo lavoro di tesi, sono stati sviluppati due circuiti di quench (AQC), che oltre a raggiungere una risoluzione temporale nell’ordine delle decine di picosecondi con un’elevata linearità, garantiscono le stesse prestazioni in qualsiasi condizione di lavoro. Entrambi, infatti, sono stati progettati per essere compatibili con una vasta gamma di fotorivelatori: dai cosiddetti thin SPAD, con overvoltage intorno ai 5V, ai Red-Enhanced SPAD, caratterizzati da overvoltage anche di 30V. Inoltre, particolare attenzione è stata posta nella compensazione delle variazioni di processo, essendo il maggior ostacolo al raggiungimento della perfetta corrispondenza tra tempo morto e i periodi dei laser più comuni (10ns, 12.5ns, 25ns e 50ns) per esperimenti di TCSPC. Allo stesso tempo, la classica architettura dell’AQC è stata completamente rivoluzionata in ogni suo blocco, aspetto che ha permesso di realizzare un circuito di soli 0.068mm2 e con elevata immunità ai disturbi, rendendolo perfetto per la realizzazione di sistemi multicanale ad elevate prestazioni.